吳 林

（福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院，福州 350002）

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)采用人工抄錄傳感器數(shù)值，人工計(jì)算的方式，獲取農(nóng)業(yè)信息，當(dāng)應(yīng)用于大面積農(nóng)田環(huán)境時(shí)，存在信息獲取時(shí)效性較低的不足，不適合農(nóng)業(yè)信息的快速獲取[1]，為此提出了基于ZigBee 的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)研究。搭建，傳感器節(jié)點(diǎn)、ZigBee節(jié)點(diǎn)、ZigBee 協(xié)調(diào)器、GPRS 模塊、服務(wù)器、客戶端的硬件環(huán)境，依托IDE 開發(fā)環(huán)境，采用C++進(jìn)行編寫操作命令完成軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了提出的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的研究，為了保證提出的ZigBee 農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的有效性，利用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比對(duì)象，進(jìn)行信息獲取時(shí)效性驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提出的ZigBee 農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)具有較高的有效性。

1 ZigBee 的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee 技術(shù)是一種低功耗、低速率、低成本、低距離的雙向無線通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于智能家電、農(nóng)林業(yè)、水務(wù)、環(huán)境保護(hù)、工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字化醫(yī)療等多個(gè)方面[2]。在農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)中，由于其自身的穩(wěn)定性以及傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，不斷的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)信息采集當(dāng)中。

ZigBee 農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)主要包括，傳感器節(jié)點(diǎn)（溫度傳感器、濕度傳感器、土壤墑情傳感器、光照度傳感器）、ZigBee 節(jié)點(diǎn)、ZigBee 協(xié)調(diào)器、GPRS 模塊、服務(wù)器、客戶端七部分。

農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源是通過傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的，由于傳感器節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間暴露在大氣環(huán)境中，受土壤、空氣濕度等侵蝕，為此傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯作為外殼體[3]，傳感器部分外露，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)同時(shí)包溫度傳感器、濕度傳感器、土壤墑情傳感器、光照度傳感器，以及微處理模塊（存儲(chǔ)器、控制器）、無線通信模塊、電源模塊。微處理模塊是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，根據(jù)控制器編譯的固定命令，定時(shí)的通過無線通信模塊將采集的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee 節(jié)點(diǎn)電源模塊一般采用單晶硅太陽能電池進(jìn)行供電[4]，保持各類傳感器、存儲(chǔ)器、控制器的有效運(yùn)行。

ZigBee 協(xié)調(diào)器一般采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，ZigBee 協(xié)調(diào)器的主要作用是，利用串行通信方式，將獲取的傳感器信息，轉(zhuǎn)換為數(shù)字型信息，便于網(wǎng)絡(luò)的傳輸，設(shè)計(jì)的基于ZigBee 農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)采用JN5140模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入端口共有七個(gè)，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、復(fù)位電路、中斷電路、采集電路、電源電路、調(diào)解的路、串口通信電路[5]。

將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)利用移動(dòng)GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸至農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)服務(wù)器，客戶端，通過Web 登錄到服務(wù)器，工作人員可對(duì)對(duì)農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行分析。

2 ZigBee 的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)傳輸至服務(wù)器，并通過Web 登錄，這過程依托于ZigBee 農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。

轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)過程中，首先根據(jù)ZigBee 協(xié)調(diào)器搜索信道，初始化硬件建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在工作過程前，需首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)是否建立成功進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行有效操作，其農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)發(fā)送過程示意圖如圖1所示：

圖1 農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)發(fā)送過程示意圖

圖1中，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)是利用IDE 開發(fā)環(huán)境，采用C++進(jìn)行編寫操作命令，在配置環(huán)境過程中，需保證程序架構(gòu)與ZigBee，協(xié)議棧程序完全相同，節(jié)點(diǎn)軟件符合上一級(jí)要求，通過程序設(shè)置，可設(shè)置為定時(shí)檢測(cè)，定量檢測(cè)，連續(xù)檢測(cè)三種，在非監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，執(zhí)行休眠命令節(jié)約電能，實(shí)現(xiàn)ZigBee 的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，基于ZigBee 的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，完成了提出的基于ZigBee 的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)研究。

3 實(shí)例分析

為了保證本文提出的ZigBee 的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)研究的有效性，進(jìn)行實(shí)例分析，實(shí)例分析過程中采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)獲取農(nóng)業(yè)信息的方法，作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比對(duì)象，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證信息獲取時(shí)效性。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與試驗(yàn)過程

為保證本次實(shí)驗(yàn)的有效性，首先對(duì)試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行確定，由于本次實(shí)驗(yàn)采用的是仿真實(shí)驗(yàn)，所以為了更加接近真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1：

表1 試驗(yàn)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)過程中，首先根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)，構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，本次實(shí)驗(yàn)選擇兩種農(nóng)業(yè)信息獲取方法，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證，所以構(gòu)建一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境即可，同時(shí)利用一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能夠有效地避免實(shí)驗(yàn)過程中參數(shù)不統(tǒng)一造成的誤差。

為了驗(yàn)證農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)獲取信息的時(shí)效性，構(gòu)建一個(gè)獲取信息時(shí)效性的指標(biāo)，用來評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)ZigBee 農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)獲取信息的時(shí)效性，獲取信息時(shí)效性指標(biāo)影響闡述主要包括，是否保證農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)持續(xù)安全運(yùn)行，是否有效的獲取農(nóng)業(yè)信息，是否快速的獲取農(nóng)業(yè)信息三個(gè)方面。

模擬運(yùn)行過程中，首先確定構(gòu)建的仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境準(zhǔn)確度，通過完全準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)兩種完全不同的試驗(yàn)方法進(jìn)行時(shí)效性驗(yàn)證，驗(yàn)證期得出的獲取農(nóng)業(yè)信息的時(shí)效性是否快速，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同季節(jié)下對(duì)農(nóng)業(yè)信息的獲取，同時(shí)模擬不同時(shí)間下對(duì)農(nóng)業(yè)信息的獲取的各種情況，利用兩種農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)，進(jìn)行獲取農(nóng)業(yè)信息時(shí)效性的對(duì)比。根據(jù)獲取農(nóng)業(yè)信息的速度，得出不同的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)獲取農(nóng)業(yè)信息時(shí)效性，并記錄在圖表中。其中傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)需要人工抄錄計(jì)算，得出農(nóng)業(yè)信息；而ZigBee 農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)利用ZigBee 技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)，獲取農(nóng)業(yè)信息，從而得出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)過程，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表，如表2所示：

表2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

?

根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表可以得出，在不同時(shí)效范圍下，利用提出的ZigBee 農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)，能夠較為快速的對(duì)農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行獲取。經(jīng)計(jì)算得出，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)獲取信息的時(shí)效率為75.36%，提出的ZigBee 農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)獲取信息的時(shí)效率為98.21%，得出ZigBee 農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)，時(shí)效率提高22.85%，適用于農(nóng)業(yè)信息的快速獲取。

4 結(jié)束語

本文提出了基于ZigBee 的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)研究，基于ZigBee農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了提出的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提出的ZigBee 農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)具有較高的有效性，希望本文的研究能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)研究提供理論基礎(chǔ)。